Mechanizmy reakcji enzymatycznych (I) Enzymologia-7 Mechanizmy reakcji enzymatycznych (I)

KLASY I PODKLASY ENZYMÓW OKSYDOREDUKTAZY 2. TRANSFERAZY dehydrogenazy - transaldolaza oksydazy - trasketolaza reduktazy - acylo-, metylo-, amino-, glukonylo- peroksydazy i fosforylo- transferazy katalaza - kinazy oksygenazy - fosfomutazy - hydroksylazy 3. HYDROLAZY 4. LIAZY - esterazy - dekarboksylazy - glikozydazy - aldolazy - peptydazy - ketolazy - tiolazy - hydratazy - fosfolipazy - dehydratazy - amidazy - syntazy - dezamidazy - liazy 5. IZOMERAZY 6. LIGAZY - racemazy - syntetazy - epimerazy - karboksylazy - mutazy

Dehydrogenaza alkoholowa Oksydoreduktazy (E.C. 1) Katalizują reakcje utleniania i redukcji Dehydrogenazy Oksydazy Oksygenazy Reduktazy Peroksydazy hydroksylazy Dehydrogenaza alkoholowa

Transferazy (E.C. 2) Katalizują transfer określonej grupy z jednej cząsteczki na drugą. Transaminazy Transmetylazy Transkarboksylazy Transketolazy, transaldolazy Kinazy Fosfomutazy hexokinase

Hydrolazy (E.C. 3) Katalizują reakcje hydrolizy Esterazy Fosfatazy Peptydazy Amidazy Dezamidazy Fosfolipazy

Dekarboksylaza pirogronianowa Liazy (E.C. 4) Enzymy odwracalnie lub nieodwracalnie katalizujące odszczepienie grup bez udziału wody Dekarboksylazy Hydratazy Deaminazy Aldolazy Dekarboksylaza pirogronianowa

Izomerazy (E.C. 5) Katalizują reakcję izomeryzacji Epimerazy Racemazy Mutazy Racemaza alaninowa

Karboksylaza pirogronianowa Ligazy (E.C. 6) Katalizują reakcję tworzenia nowego wiązania z wykorzystaniem energii z ATP. Syntetazy Karboksylazy Karboksylaza pirogronianowa

OKSYDOREDUKTAZY Stopnie utlenienia atomów węgla w metabolitach Schemat ogólny reakcji redoks Utlenienie: usunięcie elektronów.   Akceptor: koenzym lub grupa prostetyczna (jon metalu); w drugim przypadku jon pełni rolę pośrednika, a końcowym akceptorem jest cząsteczka O2 ulegająca dwuelektronowej redukcji do H2O2 lub czteroelektronowej redukcji do H2O

Potencjał oksydoredukcyjny Potencjał oksydoredukcyjny pary X: X- odpowiada napięciu (SEM) ogniwa, w którym elektrodą odniesienia jest standardowa elektroda wodorowa. Silne reduktory wykazują ujemny potencjał redoks, a silne utleniacze – dodatni. Stan standardowy przyjęty przez biochemików odpowiada [H+] = 10-7 M, czyli pH = 7

Standardowe potencjały redoks niektórych reakcji biochemicznych Reakcja E0’ (V) ½ O2 + 2H+ + 2e- H2O 0,82 Fe(III) + e- Fe(II) 0,77 cytochrom c /Fe(III)/ + e- cytochrom c /Fe(II)/ 0,22 Fumaran + 2H+ + 2e- bursztynian 0,03 FAD + 2H+ + 2e- FADH2 -0.22 NAD(P)+ + H+ + 2e- NAD(P)H -0,32 2H+ + 2e- H2 -0,42 octan + CO2 + 2H+ + 2e- pirogronian -0,70

E0 = E0(red) – E 0(utl) = - 0.19 V – (- 0.32 V) = + 0.13 V OKSYDOREDUKTAZY Przewidywanie kierunku reakcji redoks Reakcja redukcji pirogronianu ma większą wartość E0 niż reakcja redukcji NAD+, zatem w tym układzie pirogronian jest redukowany do mleczanu zaś NADH - utleniany do NAD+ E0 = E0(red) – E 0(utl) = - 0.19 V – (- 0.32 V) = + 0.13 V

Dwie możliwości tworzenia produktu pośredniego w procesach przeniesienia dwuelektronowego

Fizjologiczne „pułapki” wolnych rodników

Dehydrogenazy wykorzystujące dinukleotydy nikotynamidoadeninowe

Typy reakcji katalizowanych przez enzymy wykorzystujące NAD(P)+/NAD(P)H Reakcja Przykładowe enzymy Dehydrogenaza alkoholowa Dehydrogenaza mleczanowa Dehydrogenaza jabłczanowa Dehydrogenaza glutaminianowa Dehydrogenaza izocytrynianowa Dehydrogenaza aldehydowa Reduktaza steroidowa Reduktaza dihydrofolianowa

Dehydrogenaza alkoholowa

Dehydrogenaza alkoholowa

Reakcje enzymatycznego utleniania i redukcji z udziałem nukleotydów flawinowych FAD Ryboflawina FMN

Zmiana potencjału redox FAD w centrum aktywnym enzymu: -0.47 < Eo < +0.15 Otoczenie koenzymu modyfikuje jego potencjał redukcyjny

Flawoenzymy Dehydrogenazy O2 nie jest akceptorem elektronów. Reakcja często zachodzi w etapach jednoelektronowych, a akceptorami elektronów sa: chinony, cytochromy lub niehemowe kompleksy żelazo-siarka Oksydazy Akceptorem elektronów jest O2 redukowany w procesie dwuelektronowym do H2O2 Oksydazodekarboksylazy Akceptorem elektronów jest O2 redukowany w procesie czteroelektronowym do H2O Monooksygenazy Akceptorem elektronów jest O2, przy czym produktami reakcji są woda i hydroksylowany produkt Dioksygenazy Akceptorem elektronów jest O2, przy czym oba atomy tlenu zostają związane w produkcie Metaloflawoenzymy Akceptorem elektronów może być O2, Wymagana jest obecność jonu metalu (Fe2+, Fe3+, Mo4+) służącego jako przenośnik elektronów Flawodoksyny Elektrony przenoszone są w etapach jednoelektronowych. Bez wątpienia reakcje te zachodzą z utworzeniem semichinonu

Dehydrogenazy flawinowe Dehydrogenaza bursztynianowa

Oksydazy flawinowe Schemat ogólny reakcji Etapy reakcji

oksydazę D-aminokwasowa DAAO Katalizuje reakcję: D-aminokwasy a-iminokwasy ludzka DAAO drożdżowa DAAO

Reakcja katalizowana przez oksydazę D-aminokwasową

Reakcja katalizowana przez oksydazę D-aminokwasową Mechanizm reakcji

Jeżeli substratem jest D-Ala …

Monooksygenazy flawinowe XH – zwykle NADH lub NADPH Mechanizm reakcji katalizowanej prze lucyferazę bakteryjną

Monooksygenazy pterynowe

Hydroksylaza fenyloalaninowa PHA katalizuje reakcje hydroksylacji Phe do Tyr brak genu kodującego PHA powoduje fenyloketonurię jest tetramerem jest metaloenzymem – w centrum aktywnym Fe 3+

Etapy reakcji:   a/ tetrahydrobiopteryna związana z enzymem redukuje Fe(III) do Fe (II); b/ jon Fe(II) łączy się z anionorodnikiem nadtlenkowym – tworzy się kompleks Fe(II): anionorodnik; c/ kompleks służy jako czynnik epoksydujący pierścień L-Phe; d/ przegrupowanie

O2 + O2 + 2H+ O2 + H2O2 Oksydazy zawierające jony miedzi Oksydaza aminowa Dysmutaza nadtlenkowa O2 + O2 + 2H+ O2 + H2O2

Enzymy hemoproteinowe Struktura cytochromu c Położenie hemu w cytochromach tyou c

Enzymy hemoproteinowe Monooksygenazy cytochromu P450 RH + O2 + NADPH + H+  ROH + H2O + NADP+ Działanie cytochromu P450

Dioksygenazy Cyklooksygenaza prostaglandynowa Aktywność cyklooksygenazową wykazuje syntaza prostaglandyny H2

Transferazy Koenzymy współpracujące z transferazami Przenoszona grupa funkcyjna Koenzym metylowa, metylenowa, kwasy tetrahydrofoliowe formylowa, formiminowa S-adenozylometionina kobalamina aldehydowe i ketonowe pirofosforan tiaminy acylowe koenzym A lipoamid aminowe fosforan pirydoksalu

Struktura kwasów tetrahydrofoliowych

Transferazy przenoszące grupy jednowęglowe Hydroksymetylaza serynowa Katalizuje reakcje przekształcenia Ser w Gly z równoczesnym utworzeniem kwasu N5,N10-metylenotetrahydrofoliowego Jedna podjednostka dimerycznego enzymu

Hydroksymetylaza serynowa Etap I

Etap II

S-adenozynometionina jako donor grupy metylowej lub...

Acylotransferazy Struktura acylokoenzymu A

Mechanizm reakcji katalizowanej przez syntazę kwasu -aminolewulinowego

Fosfotransferazy FOSFATAZY FOSFODIESTERAZY KINAZY FOSFORYLAZY

Przeniesienie fosforylu - kinazy Przeniesienie pirofosforylu Przeniesienie adenylilu Przeniesienie adenozylu

aminokwas1 + -ketokwas2 aminokwas2 + -ketokwas1 Aminotransferazy Aminotransferazy katalizują przeniesienie grupy aminowej z aminokwasu na -ketokwas. Aminotransferazy współpracują z fosforanem pirydoksalu (PLP) aminokwas1 + -ketokwas2 aminokwas2 + -ketokwas1

aminokwas1 + E-PLP -ketokwas1 + E-PMP Aminotransferazy Pierwsza połowa reakcji katalizowanej przez aminotransferazę aminokwas1 + E-PLP -ketokwas1 + E-PMP Druga połowa reakcji jest niejako odwróceniem reakcji pierwszej -ketokwas2 + E-PMP aminokwas2 + E-PLP

Aminotransferazy Struktura aminotransferazy asparaginianowej

Enzymy wykorzystujące PLP jako koenzym należą do różnych klas np. aminotransferazy, racemazy aminokwasowe np. dekarboksylazy aminokwasowe, syntaza kwasu -aminolewulinowego Sprotonowana forma aldoiminy pełni rolę pułapki elektronowej. Ładunek dodatni na atomie azotu stabilizuje intermediat np. aldolazy, hydroksymetylotransferaza serynowa